[논문 리뷰] Breaking strong symmetries in dissipative quantum systems: the (non-)interacting bosonic chain coupled to a cavity

Catalin-Mihai Halati, Ameneh Sheikhan외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 04.

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 광학 공진기와 결합된 소산적 보스온 사슬에서 강한 대칭성을 조사하며, 보존 법칙으로 인해 이상적인 보스온이 다수의 정상 상태를 나타냄을 보여준다. 단절적 제거와 행렬 곱 상태 방법을 사용하여, 조그만 대칭 깨짐조차도 다수의 정상 상태에서 유일한 정상 상태로 직접 전이됨을 밝혀내며, 개별 궤적들이 대칭 보호의 흔적을 유지하는 소산적 고결 현상—즉, 더 강한 깨짐에 따라 흐려지는 현상—을 규명한다.

ABSTRACT

In dissipative quantum systems, strong symmetries can lead to the existence of conservation laws and multiple steady states. The investigation of such strong symmetries and their consequences on the dynamics of the dissipative systems is still in its infancy. In this work we investigate a strong symmetry for bosonic atoms coupled to an optical cavity, an experimentally relevant system, using adiabatic elimination techniques and numerically exact matrix product state methods. We show the existence of multiple steady states for ideal bosons coupled to the cavity. We find that the introduction of a weak breaking of the strong symmetry by a small interaction term leads to a direct transition from multiple steady states to a unique steady state. We point out the phenomenon of dissipative freezing, the breaking of the conservation law at the level of individual realizations in the presence of the strong symmetry. For a weak breaking of the strong symmetry we see that the behavior of the individual trajectories still shows some signs of this dissipative freezing before it fades out for a larger symmetry breaking terms.

연구 동기 및 목표

• 소산적 양자 시스템, 특히 광학 공진기와 결합된 보스온 사슬에서 강한 대칭성의 역할을 조사하는 것.
• 실험적으로 관련된 설정에서 이러한 대칭성으로부터 보존 법칙과 다수의 정상 상태가 어떻게 유도되는지 규명하는 것.
• 약한 대칭 깨짐이 정상 상태의 안정성과 구조에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 개별 궤적들이 전역적 대칭 깨짐에도 불구하고 대칭 보호 동역학을 유지하는 소산적 고결 현상의 탐구.

제안 방법

• 보스온 사슬-공진기 시스템의 효과적인 저에너지 기술을 유도하기 위해 단절적 제거 기법을 사용한다.
• 개방 양자 시스템의 동역학을 수치적으로 정확하게 시뮬레이션하기 위해 행렬 곱 상태 방법을 사용한다.
• 강한 대칭성과 그들을 약간 깨는 조절된 외란이 존재하는 상황에서 시스템의 동역학을 분석한다.
• 대칭 깨짐 강도에 따라 정상 상태의 비탄성 또는 유일성 여부를 평가하기 위해 정상 상태 해를 계산한다.
• 개별 양자 궤적을 시뮬레이션하여 소산적 고결 효과의 발생과 소멸을 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 대칭성이 소산적 보스온 시스템에서 공진기와 결합된 경우에 다수의 정상 상태로 이르는 방식은 무엇인가?
• RQ2 강한 대칭성이 약하게 깨질 경우 정상 상태 만 manifold는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 약한 대칭 깨짐이 존재하는 상황에서 개별 양자 궤적이 대칭 보호의 흔적을 어느 정도 유지하는가?
• RQ4 소산적 고결 현상은 다양한 대칭 깨짐 강도에서 지속되는가? 그리고 어떻게 진화하는가?

주요 결과

• 대칭 깨짐이 없는 조건에서 시스템은 다수의 정상 상태를 나타내며, 이는 강한 대칭으로 인한 보존량에 기인한 비탄성임을 나타낸다.
• 강한 대칭을 깨는 약한 상호작용 항이 존재할 경우, 중간 단계 없이 다수의 정상 상태에서 유일한 정상 상태로 직접 전이된다.
• 소산적 고결 현상이 관측됨: 전역적으로 정상 상태가 유일한 경우에도 개별 궤적이 보존량의 기억을 유지한다.
• 대칭 깨짐 항이 증가함에 따라 소산적 고결의 흔적은 흐려지며, 대칭 깨짐 동역학적 영역으로의 전이를 나타낸다.